劉國磊，王澤東，曲效成，崔 崳，尹永明

(1．山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 礦山安全技術(shù)研究所，北京 100012)

0 引 言

煤與瓦斯突出(以下簡稱“突出”)是低透氣性突出煤層開采最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。近年來隨著研究的深入[2-4]，突出災(zāi)害防治技術(shù)快速發(fā)展，事故率也呈下降趨勢，但由于影響因素復(fù)雜，突出機理未完全揭示，特別是低透氣性煤層，存在抽采效率低、監(jiān)測手段單一、防治工程量巨大等問題[5]，突出災(zāi)害仍是煤礦企業(yè)面臨的最大安全問題之一[6]。

當(dāng)前普遍認為煤與瓦斯突出是在地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)綜合作用下的結(jié)果[7]。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者在突出機理、實驗室試驗、監(jiān)測預(yù)警等方面開展了大量研究工作。王漢鵬等[8]通過模擬不同強度型煤在瞬間揭露試驗中的突出表現(xiàn)進行分析研究發(fā)現(xiàn)，吸附氣體含量越大，氣體突出時其膨脹能越大，從而導(dǎo)致突出強度也越大；李冬等[9]利用基于遺傳算法的支持向量機網(wǎng)絡(luò)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演等計算方法，綜合瓦斯含量、構(gòu)造煤分布及煤層頂板巖性3個因素，建立了瓦斯突出危險區(qū)域綜合預(yù)測方法；許江等[10]利用多場耦合煤礦動力災(zāi)害大型模擬試驗系統(tǒng)開展了不同應(yīng)力集中系數(shù)條件下的突出物理模擬試驗，監(jiān)測了兩相流沖擊力、突出孔洞內(nèi)氣壓及煤體聲發(fā)射信號，得到了突出試驗中脈動式發(fā)展過程特征；彭守建等[11]利用突出模擬試驗臺在不同瓦斯、應(yīng)力、煤體強度條件下進行了物理模擬試驗，發(fā)現(xiàn)在突出過程中的瓦斯壓力時空演化特征與煤體的破壞直接相關(guān)，而煤體的破壞又同時受到地應(yīng)力和瓦斯的雙重影響；唐巨鵬等[12]利用真3軸突出模擬試驗裝置開展突出相似模擬試驗，基于聲發(fā)射能量分析進行了突出前兆特征研究，表明突出過程經(jīng)歷了孕育前期、孕育后期、激發(fā)-發(fā)展和終止4個階段；鄭仰峰等[13]基于應(yīng)力轉(zhuǎn)移目的提出了穿層注漿加固與水力沖孔強弱耦合防突方法，并采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗方法進行了防突措施可行性研究。上述研究在突出機理等問題上進行了積極探索，得到了有益成果，但上述研究過程中，一般將煤和瓦斯視為理想狀態(tài)，未充分重視開采活動對突出的影響。雖有部分學(xué)者指出采掘擾動對突出有重要影響，如朱權(quán)潔等[14]研究發(fā)現(xiàn)，采動影響造成局部區(qū)域的應(yīng)力遷移向地質(zhì)異常區(qū)域，使這些區(qū)域更容易具備突出或沖擊的條件和可能性；文獻[15-17]也通過試驗研究指出，采動效應(yīng)是誘導(dǎo)突出的外在動力源，是發(fā)生突出的必要條件，但上述研究未充分揭示開采擾動的突出影響機理。

開采擾動是誘發(fā)突出的一個關(guān)鍵因素，提出“突出災(zāi)害中心體”致災(zāi)假設(shè)，并重點分析開采活動對突出的影響關(guān)系，采用理論分析、相似模擬試驗與工程試驗等方法對低透氣性煤層回采工作面的突出過程、特征和機理進行研究，以期促進煤與瓦斯突出理論、實驗方法的進步和發(fā)展，為防治突出災(zāi)害提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 突出災(zāi)害中心體致災(zāi)機理

1.1 提出假設(shè)

瓦斯在煤體內(nèi)分散分布，局部相對富集，特別是在低透氣性煤層中局部富集情況更加顯著，為方便研究，將易突出的瓦斯聚集區(qū)具象化為突出災(zāi)害中心體，進而提出相應(yīng)突出機理假設(shè)。低透氣性煤層突出災(zāi)害中心體是在原始地應(yīng)力作用下，吸附瓦斯在節(jié)理、裂隙等非均質(zhì)性的孔洞中由于局部煤體破碎且滲透性升高而大量解吸，與煤粉形成的氣固兩相流體，其具有高瓦斯壓力的特征。

在綜合作用假說等理論基礎(chǔ)上，建立突出災(zāi)害中心體致災(zāi)模型(圖1)，從地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)3方面揭示低透氣性煤層回采工作面突出機理。

1—超前支承壓力；2—擾動應(yīng)力；3—超前支承壓力與擾動應(yīng)力疊加；4—突出災(zāi)害中心體；L1—中心體與煤壁間的突出阻礙區(qū)寬度；L2—中心體寬度；L11、L12、L13—根據(jù)突出阻礙區(qū)內(nèi)超前支承壓力分布特征，劃分卸壓阻礙區(qū)L11、峰值應(yīng)力阻礙區(qū)L12和原巖應(yīng)力阻礙區(qū)L13圖1 回采工作面突出災(zāi)害中心體力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of outburst disaster center in working face

1.2 突出災(zāi)害中心體的形成條件

1.2.1 地應(yīng)力

在當(dāng)前采深下，低透氣性煤層內(nèi)瓦斯以吸附態(tài)為主，游離態(tài)瓦斯僅占10%～20%[18]。但瓦斯在節(jié)理、裂隙等孔洞內(nèi)以游離態(tài)賦存，且在一定條件下，吸附瓦斯可解吸為游離瓦斯，瓦斯穿過基質(zhì)和微孔向外擴散并通過孔隙滲透過程如圖2所示。

圖2 瓦斯由煤內(nèi)表面解吸穿過微孔、煤基質(zhì)到裂隙過程[14]Fig.2 Process of gas desorption from coal inner surface through micropores, coal matrix and fractures[14]

地應(yīng)力則是中心體形成的主導(dǎo)因素。在地應(yīng)力場的演化過程中，自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力等綜合作用，剪切破壞在煤體內(nèi)廣泛發(fā)生。在局部高地應(yīng)力作用下，突出中心煤體破碎，滲透性增大，吸附瓦斯大量解吸并向破壞區(qū)擴散，形成了瓦斯富集區(qū)。這為中心體的形成提供了物質(zhì)和應(yīng)力條件。

1.2.2 煤體滲透性

一方面，煤體越破碎，孔隙率越大，其解吸放散瓦斯初速度增大[19]，裂隙內(nèi)游離瓦斯量越大，中心體越易形成。另一方面，地質(zhì)構(gòu)造在煤層中普遍存在，煤層應(yīng)力環(huán)境受其影響較大，由于煤的割理系統(tǒng)在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生變化，部分突出煤層通常有著一個顯著特征是其在原位條件下的低滲透性，低透氣性煤體會形成對瓦斯流動的天然封堵，這使得局部區(qū)域易出現(xiàn)瓦斯富集，而隨著開采深度的增加，這種現(xiàn)象愈加明顯[20]。

由于低滲透性煤體的阻礙作用，瓦斯不能流出，只能在煤體破壞區(qū)積聚，而在瓦斯壓力作用下，破碎的煤粒間失去機械聯(lián)系，形成分散相，成為固氣混合相流體，在突出阻礙區(qū)的作用下，該流體內(nèi)能量不易釋放并在該區(qū)不斷累積，從而形成具有高能量的突出災(zāi)害中心體。

1.2.3 開采擾動應(yīng)力

當(dāng)煤層開采時，工作面超前支承壓力與擾動應(yīng)力疊加，在面前一定范圍煤層內(nèi)形成高應(yīng)力環(huán)境，這會誘導(dǎo)煤中瓦斯的解吸行為[21]，促進游離瓦斯擴散，而因低滲透性煤體的阻礙作用，突出中心體壓力升高，能量進一步積累。同時開采擾動產(chǎn)生作用于破壞區(qū)的非周期性循環(huán)擾動載荷，煤體進而拉伸破壞，并逐步分解為粉粒，這也促進了更多中心體的形成或規(guī)模擴大。

在開采擾動下，動靜載疊加影響也使得頂?shù)装甯浇拿簬r產(chǎn)生裂隙，煤層局部透氣性增加，游離瓦斯在破碎區(qū)積累，同樣受煤體阻礙，不易排放到采掘空間而不斷匯集，煤體破碎成煤粒后，在高瓦斯壓力作用下，其處于懸浮狀態(tài)，與瓦斯共同形成固氣混合突出災(zāi)害中心體，其具有對外的膨脹力。

開采擾動改變煤體應(yīng)力相對平衡狀態(tài)，造成局部應(yīng)力集中，促進中心體孕育和發(fā)展；采動應(yīng)力改變煤體內(nèi)部平衡，煤體在采動應(yīng)力與地應(yīng)力和中心體綜合作用下發(fā)生動態(tài)調(diào)整，隨工作面持續(xù)推進，突出阻礙區(qū)煤體在多因素綜合作用下承載能力逐漸下降，在某一臨界點煤體失穩(wěn)沖出，中心體發(fā)生突出。因此，采動效應(yīng)是中心體突出的外在動力源，理清開采擾動誘發(fā)中心體突出的作用機理對災(zāi)害防治具有重要意義。

1.3 回采工作面煤與瓦斯突出災(zāi)害中心體致災(zāi)機理

如圖1所示，當(dāng)突出阻礙區(qū)L1很大時，一般情況下開采擾動應(yīng)力還未傳輸至突出危險區(qū)即已衰減耗盡，因此中心體不受開采擾動應(yīng)力的影響。隨工作面推進，L1越來越小，當(dāng)擾動前移到達中心體時，危險區(qū)內(nèi)煤體在原巖應(yīng)力和擾動應(yīng)力共同作用下逐漸破碎，擴容膨脹，對其周邊產(chǎn)生膨脹力的作用，同時煤體內(nèi)瓦斯不斷解吸膨脹，由于支承壓力峰值區(qū)內(nèi)煤巖被壓縮，煤層透氣性差，瓦斯不能經(jīng)煤壁流出，高壓瓦斯與破碎煤體形成以固氣混合形式存在的突出災(zāi)害中心體。

工作面前方支承壓力峰值區(qū)煤體受到高集中應(yīng)力作用，而中心體由于似流體的性質(zhì)，其承載能力下降，部分載荷向四周轉(zhuǎn)移，使阻礙區(qū)煤體所受應(yīng)力變大，根據(jù)發(fā)生沖擊地壓強度理論，當(dāng)煤體所受應(yīng)力超過一定程度后將發(fā)生沖擊地壓，發(fā)生沖擊地壓的應(yīng)力條件是：

σ>σ*

(1)

即煤體所受應(yīng)力σ大于煤體與圍巖系統(tǒng)的綜合強度σ*。其中煤體所受應(yīng)力主要包括自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、因開采引起的附加應(yīng)力、煤體與圍巖交界處的應(yīng)力和其他條件(如水、溫度等)引起的應(yīng)力。

工作面前方支承壓力峰值區(qū)是煤體易發(fā)生沖擊的壓危險區(qū)，當(dāng)峰值區(qū)煤體所受應(yīng)力大于煤體與圍巖系統(tǒng)綜合強度時，煤體發(fā)生沖擊地壓，阻礙區(qū)L1減小，即突出阻力減小。同時，煤體沖擊釋放的能量部分傳輸至中心體內(nèi)，使其膨脹能增大，當(dāng)膨脹能大于阻礙區(qū)阻力時，中心體發(fā)生突出。

突出發(fā)動的必要條件之一是突出中心形成以固氣混合相流體形式存在的“突出災(zāi)害中心體”；另一不可缺少的條件是開采擾動。中心體是地應(yīng)力、煤與瓦斯綜合作用而自然形成，在低透氣性煤層中客觀性存在的，其賦存于多個位置，開采活動導(dǎo)致煤層應(yīng)力環(huán)境和瓦斯?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，引起部分中心體自身能量和周圍環(huán)境改變，進而誘發(fā)突出。

2 相似模擬試驗

以陽泉礦區(qū)新景煤礦8號煤回采工作面為背景，建立開采過程中的物理相似模擬試驗?zāi)Ｐ停芯坎蓜舆^程中煤巖體應(yīng)力場與中心體壓力演變規(guī)律及突出機理。

2.1 相似模擬方案

2.1.1 模擬試驗系統(tǒng)

煤與瓦斯突出模擬試驗臺如圖3所示，模型規(guī)格為2.5 m×0.2 m×1.4 m(長×寬×高)，模型架有足夠大的剛度。模型兩端及底部均固定，在其上邊界安設(shè)加載油缸，施加應(yīng)力以模擬地應(yīng)力條件。

圖3 煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of coal and gas outburst simulation test system

在相似模擬試驗臺基礎(chǔ)上，煤層中安設(shè)定制的人工仿制突出中心體(定制膠囊、瓦斯和煤粉)，并通過氣管與氣壓計連通。通過調(diào)節(jié)實驗臺頂部油缸載荷模擬采場地應(yīng)力變化，通過開挖煤層模擬采動影響，形成地應(yīng)力和瓦斯壓力可控的煤與瓦斯突出模擬實驗系統(tǒng)，通過調(diào)整地應(yīng)力和煤層開挖可以誘發(fā)中心體突出。

在該試驗系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用YJZ-16型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀及DYB-1系列土式傳感器觀測上覆巖層應(yīng)力；采用YHD-30，YHD-50電阻式位移計觀測位移場；電子氣壓計測量突出中心體氣壓。

2.1.2 模擬參數(shù)的確定

相似模擬試驗主要考慮以下參數(shù)：煤層厚度M，巖層厚度H，抗壓強度σc，抗拉強度σt，容重γ，彈性模量E，時間t，泊松比μ等，方程為

F(H，M，σc，σt，γ，E，μ，t)=0

(2)

故要使模型與原型相似，則需滿足下列方程：

(3)

式中:下標(biāo)m為模型的相應(yīng)參數(shù);下標(biāo)p為原型的相應(yīng)參數(shù)。

1)相似材料的選取，根據(jù)經(jīng)驗及本試驗所模擬的巖層性質(zhì)，確定以細河砂為骨料，以水泥和石膏為膠結(jié)材料，用四硼酸鈉(硼砂)作為緩凝劑，見表1。煤層采用煤粉與水混合攪拌壓制而成。

2)相似參數(shù)的確定，根據(jù)現(xiàn)有試驗條件及選定模型架尺寸及其他條件綜合考慮，確定相似系數(shù)：長度相似系數(shù)為0.01；時間相似系數(shù)為0.1；容重相似系數(shù)為0.6；強度比為0.006；外力比為6×107；彈性模量比為0.006；泊松比為1。初始條件及邊界條件相似，可以近似認為是均質(zhì)重力場，所以初始應(yīng)力場是相似的。

3)相似材料配比及用量，計算得到模型各分層的各種材料用量見表1。

表1 模型相似材料配比

2.1.3 模擬試驗過程

試驗系統(tǒng)搭建完畢后，油缸加載模擬上覆巖層自重，在距開切眼140 cm的位置埋設(shè)用定制膠囊、瓦斯和煤粉模擬的突出中心體，即推采140 m時揭露該中心體，其由高壓氣泵充氣加壓，模型內(nèi)布設(shè)應(yīng)力、位移監(jiān)測測點，中心體氣壓由電子氣壓計測量。

如圖4所示，模型每步模擬開挖15 m，隨工作面推進，上覆巖層逐步垮落，同時也出現(xiàn)縱向和橫向裂隙，且裂隙隨工作面推進越來越大，并出現(xiàn)明顯的離層；隨著推進繼續(xù)深入，出現(xiàn)多次周期來壓，裂隙繼續(xù)向上發(fā)展，上部巖層之間出現(xiàn)明顯裂隙，裂隙的影響范圍也不斷擴大，當(dāng)工作面推進到150 m時，其中離層裂隙發(fā)育明顯；工作面推進到160 m，頂板出現(xiàn)明顯下沉的范圍為62 m，卸壓角為63°。工作面推采130 m時臨近中心體，140 m位置推過中心體，此時后方采空區(qū)頂板出現(xiàn)明顯裂隙，后期工作面推采基本頂垮落程度大且出現(xiàn)明顯回轉(zhuǎn)，作用于采煤工作面。

圖4 工作面開采模擬試驗結(jié)果Fig.4 Simulation test results of working face mining

2.2 試驗結(jié)果分析

1)覆巖應(yīng)力分布特征，分別在頂板距離煤層0、10、20、30 m位置布置應(yīng)力測線，讀取數(shù)據(jù)并處理后得到工作面推進15、25、90 m時的水平剖面覆巖垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 水平剖面覆巖垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of overburden in horizontal section

由應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，初采期間圍巖未發(fā)生大規(guī)模變形和破壞，受覆巖結(jié)構(gòu)影響，應(yīng)力向煤壁深部轉(zhuǎn)移，擾動影響范圍大，且根據(jù)不同層位頂板應(yīng)力分布可知，煤層支承應(yīng)力升高明顯，因此，開采低透氣性突出煤層時，若開切眼鄰近區(qū)域存在斷層等易形成突出中心體的地質(zhì)構(gòu)造，工作面初采期間的突出危險性增大。

隨開采規(guī)模擴大，頂板垮落規(guī)模擴大且充分，無明顯強動載影響，相比初采期間，影響范圍減小，但煤壁前方應(yīng)力峰值升高，約為初采期間的2倍，且頂板各巖層支承應(yīng)力升高明顯，高靜載對煤體和中心體產(chǎn)生強烈壓縮作用，此時煤體破碎，中心體壓力升高，達到了突出的臨界狀態(tài)，開采擾動可能會誘發(fā)中心體突出。

此外，工作面超前影響50～60 m，面前約20 m應(yīng)力升高明顯，應(yīng)力峰值約在10 m位置，說明在煤壁推采距離中心體60～20 m時中心體逐漸孕育和發(fā)展，其瓦斯壓力和濃度不斷升高，在20～10 m時中心體突出風(fēng)險急劇升高，該范圍即宏觀的中心體突出臨界區(qū)域，是重點防治時期和位置。

2)瓦斯包(突出中心體)內(nèi)氣體壓力變化，圖6為距開切眼140 m處瓦斯包氣體壓力增量與工作面推進距離的關(guān)系曲線。工作面推進0～86 m時中心體測點應(yīng)力無明顯變化；在工作面推采過86 m位置時中心體測點壓力開始升高，說明此時工作面采動對中心體產(chǎn)生影響，范圍是54 m；工作面推進至126 m位置時中心體應(yīng)力變化率明顯增大，推進至130 m位置時應(yīng)力達到峰值，此時工作面距中心體10 m，這與超前應(yīng)力峰值監(jiān)測情況相印證；期間測點壓力增量隨推進距離增加呈線性增長，經(jīng)回歸分析得到中心體壓力升高值P與推進距離X的關(guān)系為

P=0.884 353X-70.701 8，R2=0.996

(4)

隨工作面推進過130 m位置，中心體瓦斯包爆裂，中心體壓力迅速降低。

模擬試驗中，超前應(yīng)力影響范圍隨工作面推采持續(xù)向中心體推移，中心體壓力逐漸升高，同時起約束作用的煤體寬度L1逐漸減小，當(dāng)其減至10 m時，原巖應(yīng)力阻礙區(qū)L13為0，卸壓阻礙區(qū)L11和峰值應(yīng)力阻礙區(qū)L12受超前支承應(yīng)力與中心體施加應(yīng)力疊加影響，煤體內(nèi)形成應(yīng)力集中并發(fā)生失穩(wěn)破壞，同時中心體能量瞬時釋放，誘發(fā)中心體突出。

圖6 瓦斯包氣體壓力變化曲線Fig.6 Gas pressure variation curve of gas package

根據(jù)試驗條件可知，當(dāng)L13=0時：

P=53.107 62-0.884 353(L11+L12)

(5)

綜合上式分析可知，工作面推采鄰近中心體時，卸壓阻礙區(qū)L11和峰值應(yīng)力阻礙區(qū)L12寬度總和與中心體壓力值呈反比關(guān)系，當(dāng)前者減小到臨界值時承載能力也達到極限，而中心體壓力也升高至臨界值，當(dāng)開采擾動破壞了這一平衡，此時中心體發(fā)生突出，中心體突出的臨界位置位于應(yīng)力峰值附近。

3 工程實踐

在陽泉礦區(qū)寺家莊礦15112回采工作面進行基于K1值的驗證性試驗，在選定的開采時段內(nèi)，采用微震、應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)分析回采工作面頂板運動、應(yīng)力變化情況，結(jié)合K1值變化情況，從現(xiàn)場開采實踐驗證突出災(zāi)害中心體作用機理。

3.1 工程概況

陽泉礦區(qū)是全國瓦斯涌出量最大、自然災(zāi)害最嚴(yán)重的礦區(qū)之一，選擇試驗地點為該區(qū)寺家莊礦的15112回采工作面。

15112工作面走向長度1 639 m，傾斜長度200 m，煤厚3.0～6.6 m，平均5.63 m。煤層基本頂為細砂巖，厚8.5 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚4.3 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚3.0 m；基本底為砂質(zhì)泥巖，厚7.4 m。該工作面構(gòu)造發(fā)育，依據(jù)突出中心體自然存在于節(jié)理、裂隙等孔洞區(qū)域的特征，試驗以工作面內(nèi)距開切眼約1 100 m和1 400 m的地質(zhì)構(gòu)造位置為中心體普遍賦存的區(qū)域。在工作面開采過程中布置高頻KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)和KJ550應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。

KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)布置：工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷內(nèi)共24個微震測點，兩巷各12個，其中WZi為探頭編號，WZ1、WZ2測點距離開切眼100 m(位于回采進度牌50號處)，其他測點由工作面向外每間隔50 m依次布置WZ3—WZ24號測點，如圖7所示。

圖7 15112工作面微震測點布置示意Fig.7 Layout diagram of microseismic monitoring points in No.15112 working face

KJ550應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)布置：測點布置在進風(fēng)巷內(nèi)，共20組測點，組間距20 m，每組布置2個應(yīng)力傳感器，深度分別為10、20 m，傳感器間距1 m，如圖8所示，其中YLi為測點編號。

圖8 15112工作面應(yīng)力測點布置示意Fig.8 Schematic diagram of stress measuring point arrangement in No.15112 working face

整個試驗期間工作面推采450 m，共采集到有效事件168個，大部分為小能量事件，有7次超過1 000 J，事件在假定的兩處中心體發(fā)育區(qū)內(nèi)集中分布，如圖9、圖10所示。

圖9 微震事件分布示意Fig.9 Microseismic event distribution diagram

圖10 微震事件分布剖面Fig.10 Profile of microseismic event distribution

從圖9、圖10可以看出事件集中區(qū)分布于開切眼前方1 000～1 250 m及1 350～1 450 m的區(qū)域。其中，前方1 000～1 250 m工作面位于地質(zhì)異常區(qū)內(nèi)，有多條斷層發(fā)育；開切眼前方1 350～1 450 m的區(qū)域內(nèi)微震事件主要分布于斷層附近。上述區(qū)域節(jié)理、裂隙發(fā)育，普遍存在突出中心體。同樣，在監(jiān)測期間內(nèi)，以上區(qū)域應(yīng)力測點也出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力升高，開切眼前方1 140 m和1 440 m位置的應(yīng)力值最高達到14 MPa，增幅75%。以上監(jiān)測結(jié)果證明，在假設(shè)的突出中心體發(fā)育區(qū)域應(yīng)力分布出現(xiàn)異常，在回采過程中該區(qū)煤體受到了高動靜載疊加影響。

3.2 監(jiān)測分析

15112工作面在推進過程中每天通過煤壁鉆孔獲取煤體瓦斯壓力、鉆孔瓦斯?jié)舛燃般@屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的參數(shù)，所得瓦斯含量、壓力及K1值隨工作面推進的關(guān)系如圖11—圖14所示。

圖11 鉆孔瓦斯含量隨推進距離變化Fig.11 Variation of gas content in borehole with advancing distance

圖12 鉆孔瓦斯壓力隨推進距離變化Fig.12 Variation of borehole gas pressure with advancing distance

圖13 K1值隨推進距離變化Fig.13 K1 value changing with advancing distance

瓦斯壓力、瓦斯?jié)舛群蚄1值隨工作面推進不斷變化，其中瓦斯含量為6.25～7.89 m3/t，瓦斯壓力為0.121～0.169 MPa，K1值為0.13～0.68，以上指標(biāo)均在1 100 m及1 400 m前后出現(xiàn)峰值；根據(jù)假定的中心體位置K1值與推采距離的關(guān)系可以看出，隨工作面推進，中心體受開采擾動影響，K1值明顯上升，隨后突降，表明中心體能量發(fā)生突變，并引起周邊瓦斯和應(yīng)力環(huán)境變化，此時工作面的突出危險較大。

圖14 中心體位置K1值隨推進距離變化Fig.14 K1 value of center position with advancing distance

3.3 支承壓力與瓦斯涌出關(guān)系

對比微震事件、應(yīng)力監(jiān)測值、瓦斯壓力、瓦斯?jié)舛群蚄1值的變化，應(yīng)力和瓦斯監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)峰值的位置位于前述開切眼前方1 000～1 250 m及1 350～1 450 m假定的中心體位置。中心體瓦斯參數(shù)突變與監(jiān)測到的應(yīng)力升高異?；疚呛希ぷ髅嫱撇梢鹬С袎毫ι?，開采活動導(dǎo)致該區(qū)域附近中心體發(fā)生了變化，瓦斯和煤的賦存狀態(tài)發(fā)生改變，中心體能量發(fā)生突變，兩相流壓力向周圍環(huán)境中釋放，使得K1值升高，此時工作面前方煤體處于高突出風(fēng)險狀態(tài)，應(yīng)及時采取治理措施。

通過在寺家莊礦15112工作面的實踐，驗證了開采活動、突出災(zāi)害中心體和突出3者之間的聯(lián)系，從突出災(zāi)害中心體和開采活動的角度揭示了突出災(zāi)害致災(zāi)機理，并且建立了微震、應(yīng)力與突出危險(K1值)間的關(guān)系，可有效彌補K1值無法連續(xù)在線監(jiān)測的不足，為進一步提高突出監(jiān)測和防治的針對性和有效性提供了方向。

4 結(jié) 論

1)在原始地應(yīng)力作用下，吸附瓦斯在節(jié)理、裂隙等非均質(zhì)性的孔洞中由于局部煤體破碎且滲透性升高而大量解吸，與煤粉混合成具有高能量的氣固兩相流體，形成突出災(zāi)害中心體。

2)突出發(fā)動的必要條件之一是突出中心形成以固氣混合相流體形式存在的“突出災(zāi)害中心體”；另一不可缺少的條件是開采擾動。突出災(zāi)害中心體是地應(yīng)力、煤與瓦斯綜合作用而自然形成，在低透氣性煤層中客觀性存在的，其賦存于多個位置，開采活動導(dǎo)致煤層應(yīng)力環(huán)境和瓦斯?fàn)顟B(tài)發(fā)生變化，引起部分中心體自身能量和周圍環(huán)境改變，進而誘發(fā)突出。

3)工作面前方支承壓力峰值區(qū)是煤體易發(fā)生沖擊的危險區(qū)，當(dāng)峰值區(qū)煤體所受應(yīng)力大于煤體與圍巖系統(tǒng)綜合強度時，煤體發(fā)生沖擊，突出阻力減?。煌怀鲋行捏w膨脹能增大，當(dāng)其大于阻礙區(qū)阻力時，中心體發(fā)生突出。初始突出阻礙區(qū)寬度L1和突出危險區(qū)寬度L2均為固定數(shù)值。突出災(zāi)害體形成過程中，災(zāi)害體內(nèi)應(yīng)力均化，承載能力下降，煤體將承受更高支承壓力的作用，發(fā)生突出的危險性增大，特別是當(dāng)災(zāi)害體再受到工作面超前支承壓力影響時，突出危險性更大。

4)通過相似模擬試驗驗證了突出災(zāi)害中心體致災(zāi)的假設(shè)，開采活動引起中心體應(yīng)力升高，固氣混合相膨脹力增大，中心體位于超前應(yīng)力峰值位置時突出危險較大。

5)通過工程實踐，驗證了開采活動、突出災(zāi)害中心體和突出3者之間的聯(lián)系，從突出災(zāi)害中心體和開采擾動的角度揭示了突出災(zāi)害致災(zāi)機理，并且建立了微震、應(yīng)力與突出危險(K1值)間的關(guān)系，可有效彌補K1值無法連續(xù)在線監(jiān)測的不足，為進一步提高突出監(jiān)測和防治的針對性和有效性提供了方向。

當(dāng)前煤與瓦斯突出機理尚未完全揭示，暫無統(tǒng)一定論，以當(dāng)前被普遍認可的理論為基礎(chǔ)開展突出機理的探索性研究，仍具有一定的局限性。同時，微震與突出危險具有較好關(guān)聯(lián)性，但當(dāng)前其量化關(guān)聯(lián)關(guān)系及預(yù)警指標(biāo)尚不確定，是突出危險監(jiān)測的發(fā)展方向和重點研究方向。